Поддержка по электронной почте
info@kingfieldpcb.comПозвоните в службу поддержки
+86-13828722658Рабочий час
Пн - Пт 08:00 - 17:00
Когда говорят о платах высокой плотности, многие сразу представляют себе что-то вроде магической черной коробки, где все компоненты упакованы так тесно, что и воздух не пройдет. На деле же все куда прозаичнее и одновременно сложнее. Это не просто ?много деталей на квадратный сантиметр?, а целая философия проектирования и производства, где каждая тысячная миллиметра на счету, а цена ошибки — партия брака или, что хуже, отказ в полевых условиях. Самый частый миф — что высокая плотность автоматически означает высочайшую надежность. Увы, как раз наоборот: чем плотнее упаковка, тем выше риски тепловых, электромагнитных и механических проблем, если подойти к делу без должного опыта.
Вспоминается один из ранних проектов, лет пять назад. Заказчик требовал упаковать контроллер для телеком-оборудования в размеры спичечного коробка, с двумя процессорами и памятью. Чертежи выглядели идеально в CAD, но когда пришли первые образцы с производства, оказалось, что тепловой расчет был сделан чисто теоретически. В режиме пиковой нагрузки плата буквально плавила припой на краевых контактах. Пришлось срочно пересматривать всю слоистую структуру, добавлять слепые и глухие переходные отверстия для отвода тепла, менять материал основы. Это был хороший урок: платы высокой плотности нельзя проектировать в отрыве от технологических возможностей конкретного производства и физики процессов.
Именно здесь часто возникает разрыв между инженером-разработчиком и технологом. Разработчик мыслит функциональностью, а технолог — как это воплотить в меди и диэлектрике. Например, выбор трассировки шириной в 3 мила (около 0.076 мм) может быть обоснован электрически, но если на фабрике нет оборудования для гарантированного контроля такой ширины линии с учетом допусков на травление, вас ждут либо короткие замыкания, либо обрывы. Нужен постоянный диалог, почти что совместное проектирование. В этом плане работа с такими поставщиками, как ООО Цзиньеда Электроник (Шэньчжэнь), у которых сайт kingfieldpcb.ru прямо указывает на комплексность услуг от разработки до сборки, часто упрощает жизнь. Их технолог может на этапе DFM (проектирования для производства) указать на потенциально проблемные места, которые в чисто инженерной среде просто не видны.
Еще один критичный момент — материалы. Для обычной двусторонней платы FR-4 стандартного класса может и сгодиться. Но когда речь заходит о многослойной структуре с 12-ю и более слоями, с микропереходами, требуется материал с предсказуемыми диэлектрическими постоянными, стабильный при многочисленных термоциклах свинцовой или бессвинцовой пайки. Не говоря уже о коэффициенте теплового расширения (CTE). Несоответствие CTE меди и материала основы — прямая дорога к растрескиванию переходных отверстий при термоударе. Приходится переходить на дорогие специализированные ламинаты, что бьет по бюджету, но альтернативы нет.
Допустим, плата изготовлена идеально. Наступает этап поверхностного монтажа (SMT). И здесь платы высокой плотности преподносят новые сюрпризы. Стандартная трафаретная печать для шага выводов (pitch) менее 0.4 мм становится игрой в рулетку. Паяльная паста может забиваться в микропереходные отверстия, расположенные рядом с контактными площадками, или, наоборот, ее объема недостаточно для формирования надежного соединения под компонентами типа BGA (массив шариковых выводов).
Приходится заказывать лазерные трафареты с полировкой стенок, точно рассчитывать апертуру, экспериментировать с типами паст. Я помню случай с одним модулем памяти, где BGA-кристалл располагался прямо над зоной с глухими переходами. После оплавления мы получили случайные непропаи из-за того, что область под кристаллом нагревалась иначе, чем края платы. Решение оказалось неочевидным: пришлось вносить коррективы в сам рисунок паяльной маски вокруг этой зоны, чтобы немного выровнять тепловой профиль, и использовать пасту с чуть более широким температурным окном.
Контроль качества после сборки — отдельная головная боль. Визуальный осмотр (AOI) справляется не со всем. Для проверки пайки под тем же BGA нужна рентгеновская установка (AXI). И даже она не всегда дает полную картину по целостности внутренних слоев. Поэтому все большее значение приобретает стратегия тестирования на уровне самой платы (ICT — in-circuit test) и функционального тестирования. Но проектирование тестовых точек на и без того перегруженной площади — это искусство компромисса. Порой приходится буквально выкраивать место под контактную площадку размером с булавочную головку, жертвуя, возможно, оптимальностью трассировки.
Хочется привести в пример относительно успешный проект, над которым мы работали в партнерстве с уже упомянутой компанией. Это был промышленный шлюз для IoT. Задача: разместить на плате размером 70x50 мм процессор с периферией, два радиомодуля (LoRa и LTE), цепи питания с высокоэффективными преобразователями и разъемы для внешних интерфейсов. Плотность была запредельной, требовалось 14 слоев.
Ключевым стало тесное взаимодействие на этапе разводки. Инженеры ООО Цзиньеда Электроник, опираясь на свой опыт, который отражен в их философии ?комплексных услуг? (как и указано на их сайте), предложили перегруппировать силовые и сигнальные слои, перенеся некоторые критичные по помехам линии на внутренние слои с лучшим экранированием. Они же настояли на использовании последовательного ламинирования для части слоев, чтобы избежать перекоса. Это увеличило сроки изготовления прототипа на неделю, но зато мы получили плату, которая с первого прохода прошла все тесты на ЭМС и тепловые испытания.
Успех? Да. Но и цена соответствующая. Стоимость такой платы в серийном производстве оставалась высокой. Это типичная ситуация: заказчики часто не до конца осознают, что переход к платам высокой плотности — это нелинейный рост сложности и затрат. Экономия на площади оборачивается повышенными расходами на проектирование, материалы, оборудование для монтажа и тестирования. Рентабельно это только если конечное изделие действительно требует миниатюризации или если высокая плотность позволяет интегрировать функции, снижающие стоимость системы в целом.
Это, пожалуй, самая неочевидная сторона медали. Плата, работающая в лаборатории, и плата, отработавшая три года в полевых условиях — это две большие разницы. Высокая плотность монтажа означает меньшие зазоры, большую чувствительность к пыли, влаге, возможным механическим напряжениям (например, при вибрации). Конформное покрытие становится не опцией, а необходимостью. Но его нанесение на столь плотную компоновку — тоже задача со звездочкой: нужно следить, чтобы покрытие не скапливалось каплями между выводами микросхем, не нарушало теплоотвод.
А что делать при отказе? Ремонт плат высокой плотности, особенно с компонентами в корпусах типа QFN или микро-BGA, — это ювелирная работа. Требуется дорогостоящее оборудование, опытный мастер и, что важно, доступ к схеме и документации на перераспределение выводов. Замена одного компонента может привести к перегреву соседних и их повреждению. Иногда проще и дешевле заменить модуль целиком, что закладывает определенную философию в дизайн всего устройства — модульность.
Это заставляет задуматься о балансе. Всегда ли нужна предельная плотность? Иногда разумнее немного увеличить размер платы, оставить технологу ?воздух? для маневра, а себе — возможность для ремонта и модернизации. Погоня за компактностью не должна становиться самоцелью в ущерб надежности и общей стоимости владения.
Так что же такое платы высокой плотности в итоге? Это мощный инструмент, но не панацея. Это область, где нельзя быть просто хорошим инженером-схемотехником или просто хорошим технологом. Нужно быть немножко и тем, и другим, или, что реалистичнее, работать в тандеме с партнером, который понимает всю цепочку от идеи до готового изделия. Как раз то, что декларируют компании вроде Цзиньеда, позиционируя себя как поставщика полного цикла.
Опыт, часто горький, подсказывает, что самые удачные проекты рождаются не тогда, когда ты пытаешься впихнуть невпихуемое, а когда с самого начала ведешь диалог с производством. Когда ты знаешь не только, что хочешь получить, но и как это можно — и нельзя — сделать в металле, стеклоткани и припое. Плотность тогда становится не вызовом самому себе, а обоснованным техническим решением. А это, пожалуй, и есть главный признак профессионализма в нашей области — умение видеть систему целиком, со всеми ее взаимосвязями и подводными камнями.
